Appunti a margine di un esercizio modellistico:
CALPUFF vs. AERMOD vs. LAPMOD
Il caso studio di una sorgente odorigena di tipo passivo
Massimo Bressan - ARPAV, DAPTV SMV
2020-09-17
1 - Introduzione ed obiettivi
Considerate le sostanziali differenze tra sistemi modellistici basati su approcci di calcolo sostanzialmente diversi si propone di seguito un confronto in termini operativi dei risultati di stima tra:
- CALPUFF, ver. 5.8.5 (EPA approved), modello gaussiano a puff, tridimensionale, non stazionario;
- AERMOD, ver. 19191 (EPA approved), modello gaussiano a pennacchio di tipo evoluto, stazionario;
- LAPMOD, ver. 20200629, modello lagrangiano a particelle, tridimensionale, non stazionario
Dal punto di vista della pratica operativa (cioè di utilizzo e confronto tra i differenti output modellistici) l’obiettivo principale è sinteticamente riassumibile in una:
- verifica del grado di convergenza delle stime in funzione dei molteplici parametri di set-up dei runs modellistici cioè la definizione di alcune indicazioni operative per l’utilizzo dei differenti mdelli (analisi di sensitività rispetto ai parametri di input);
E’ quindi del tutto evidente che non si tratta di un confronto modellistico dal punto di vista teorico ma di una semplice annotazione sistematica delle difficoltà, incertezze e trade-offs che operativamente si incontrano e si devono fronteggiare al fine di assicurare consistenza, precisione ed accuratezza dei risultati. E’ d’altro canto evidente che tutti questi aspetti hanno una significativa rilevanza in termini di interpretazione delle stime da parte degli operatori di settore, degli utenti finali e di tutte le varie parti interessate a vario titolo.
2 - La sorgente
L’insediamento industriale, ubicato nel Comune di Moriago della Battaglia (TV), svolge attività di macellazione di carni bovine con autorizzazione AIA. La sorgente odorigena di tipo areale passivo è rappresentata dalle varie vasche e sezioni di depurazione e trattamento fanghi dell’impianto di depurazione aziendale.
Le emissioni odorigene si producono a livello delle seguenti sezioni di depurazione:
- sezioni di ingresso con equalizzazione del refluo;
- sezione fanghi attivi con nitrificazione ed ossidazione del refluo;
- ispessimento e disidratazione dei fanghi/digestato con stoccaggio in concimaia.
Nell’impianto sono presenti le seguenti tipologie di sorgente odorigena:
- V1: vasca di equalizzazione
- V2A: vasca di ossidazione primaria
- V2B: vasca di ossidazione primaria
- V3A: vasca di ossidazione secondaria
- V3B: vasca di ossidazione secondaria
- V4: concimaia
in riferimento ai risultati di un’indagine olfattometrica che ha registrato quanto segue:
| sorgente | area tot (m2) | SOER (ou/s/m2) | OER (ou/s) |
|---|---|---|---|
| V1 | 64 | 113 | 7232.0 |
| V2A | 216 | 5.3 | 1144.8 |
| V2B | 84 | 5.3 | 445.2 |
| V3A | 144 | 144 | 100.8 |
| V3B | 144 | 144 | 100.8 |
| V4 | 280 | 280 | 1092.0 |
I ratei di emissione specifici (SOER) per le sorgenti V2B e V3B sono stati aattributi (assegnazione esperta) in termini equivalenti rispettivamente a quelli delle sorgenti V2A e V3B.
3 - CALPUFF
Per primi sono presentati i risultati della stima modellistica CALPUFF perchè è il riferimento base in termini di input meteo da cui derivano tutte le altre stime (AERMOD e LAPMOD).
3.1 - Configurazione di base
approccio ‘no obs’, intervallo temporale 1 anno (2019)
COSMO-LAMI 7
- velocità e direzione vento, temperatura, umidità relativa
- passo griglia: 5 * 5 (7 km)
- dominio: 35 km * 35 km
CALMET (v. 5.8.5, EPA approved)
- orografia e uso suolo: DTM 250 m
- griglia regolare: 51 * 51, 250 m
- dimensione dominio: 12.75 km * 12.75 km
CALPUFF (v. 5.8.5, EPA approved)
- sorgente areale
- dominio calcolo 5 km * 5 km (centrato su sorgente)
- cella di campionamento: 50 m, nesting factor MESHDN = 5
- coeff. disp. da variabili micro-meteo, MDISP = 2
- no reazioni chimiche, no deposizione secca e umida
- puffs ‘da seguire’ - to track -, NPFDEB = 10
- min vv per ‘non calma’: 0.5 m/s
3.2 - Breve caratterizzazione ‘micro-meteo’
rosa dei venti: stratificazione per mese
statistiche e grafici distribuzione di frequenza velocità vento
| month | n | mean | sd | min | max | median |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 01 | 743 | 1.4 | 0.9 | 0.0 | 5.9 | 1.2 |
| 02 | 672 | 1.2 | 0.7 | 0.0 | 4.0 | 1.1 |
| 03 | 744 | 1.6 | 0.9 | 0.1 | 7.2 | 1.5 |
| 04 | 720 | 2.2 | 1.2 | 0.1 | 8.4 | 2.0 |
| 05 | 744 | 1.8 | 1.0 | 0.1 | 6.4 | 1.6 |
| 06 | 720 | 1.7 | 0.9 | 0.1 | 5.9 | 1.6 |
| 07 | 744 | 1.6 | 0.9 | 0.1 | 6.2 | 1.5 |
| 08 | 744 | 1.6 | 0.7 | 0.0 | 4.5 | 1.6 |
| 09 | 720 | 1.6 | 0.8 | 0.1 | 5.4 | 1.5 |
| 10 | 744 | 1.4 | 0.7 | 0.0 | 4.9 | 1.4 |
| 11 | 720 | 1.9 | 1.2 | 0.0 | 6.7 | 1.7 |
| 12 | 744 | 1.4 | 0.8 | 0.0 | 6.1 | 1.3 |
altezza di rimescolamento stratificata per mese
3.3 - Stima CALPUFF come sorgente di tipo areale
La sorgente di emissione viene approssimata come di tipo areale con una dimensione verticale iniziale (sigma) del plume posta pari a zero per similitudine con quanto impostato nel run AERRMOD (cfr. successive specifiche per quanto riguarda le sorgenti areali passive contenute nel manuale).
Da considerare che CALPUFF utilizza per le sorgenti areali un algoritmo di calcolo differente (virtual point) del corrispondente algoritmo utilizzato da AERMOD (cfr. seguenti).
from: Calpuff User Guide (p 2-134)
A specialized algorithm is used to simulate concentrations within and downwind of area sources. The original CALPUFF model approximated all area sources using the virtual point source method in which the overall size of the area source was represented by an initial sigma y. While such an approach is reasonable far from the area source, it becomes a poor approximation nearby, or for receptors embedded within, a large area source.
Di seguito sono presentate le mappe statistiche e le relative mappe di concentrazione orarie relative alla media di periodo (annuale), al 98° ed al 99° percentile, ed infine al valore massimo.
| statistica | valore max dominio |
|---|---|
| AVG | 24 |
| P98 | 120 |
| P99 | 123 |
| MAX | 141 |
NOTA: la valutazione delle concentrazione media annuale di odore non ha alcun senso dal punto di vista ambientale e del relativo impatto ma serve solo per una verifica del grado di convergenza delle stime prodotte dai differenti modelli a confronto sul ‘lungo periodo’; rispetto a questo specifico parametro di valutazione si astrae quindi dagli aspetti relativi alla valutazione di impatto odorigeno e si si rientra nella logica più ampia della valutazione media di periodo di un generico inquinante (trattato in forma di gas).
4 - AERMOD
Di seguito sono presentati i risultati di stima nell’approssimazine della sorgente di emissione rispettivamente come areale e come volumetrica.
Come risulterà evidente, significative differenze sono riportate in funzione del tipo di sorgente considerata (areale vs. volumetrica) in funzione delle assunzioni di calcolo ed agli algoritmi utilizzati dal modello.
4.1 - Configurazione di base
approccio ‘no obs’
estrazione CALMET su punto sorgente
CALMET interpolazione e ‘correzione’ per uso del suolo ed orografia delle variabili meteo (temp, ws, wd, prec, srad, rhu, tcc, press) da ‘punti LAMI’
dominio calcolo 5 km * 5 km (centrato sul punto sorgente)
parametri superficiali (landuse 1 km):
- albedo = 0.16
- bowen ratio = 0.84
- roughness length = 1.00
4.2 - Stima AERMOD come sorgente di tipo areale
La sorgente di emissione viene approssimata come di tipo areale con una dimensione verticale iniziale (sigma) del plume posta pari a zero (Szinit = 0) al fine di garantire per quanto è possibile un sufficiente grado di confrontabilità con le impostazioni degli altri runs modellistici.
from AERMOD User Guide (p. 3-89)
The optional Szinit parameter may be used to specify an initial vertical dimension to the area source plume, similar to the use of the Szinit parameter for volume sources. This parameter may be important when the area source algorithm is used to model mechanically generated emission sources, such as mobile sources. In these cases, the emissions may be turbulently mixed near the source by the process that is generating the emissions, and therefore occupy some initial depth. For more passive area source emissions, such as evaporation or wind erosion, the Szinit parameter may be omitted, which is equivalent to using an initial sigma-z of zero.
Di seguito sono presentate le mappe statistiche e le relative mappe di concentrazione orarie relative alla media di periodo (annuale), al 98° ed al 99° percentile, ed infine al valore massimo.
| statistica | valore max dominio |
|---|---|
| AVG | 56 |
| P98 | 384 |
| P99 | 478 |
| MAX | 745 |
NOTA: vale quanto già detto in precedenza per il (non) significato ambientale del valore medio annuale delle concentrazioni di odore.
Da considerare con attenzione che la modellizzazione in AERMOD come sorgente areale comporta delle conseguenze significative nei valori di stima (come riportato nel manuale - cfr. nota segeunte )
from: AERMOD Implementation Guide (p. 25)
Because of issues related to excessive run times and technical issues with model formulation, the approach that AERMOD uses to address plume meander has not been implemented for area sources. As a result, concentration predictions for area sources may be overestimated under very light wind conditions (i.e., u << 1.0 m/s).
[ … ] During such conditions time-averaged plumes tend to spread primarily as a result of low frequency eddy translation rather than eddy diffusion.
[ … ] In order to avoid overestimates for area sources during light wind conditions, it is recommended that, where possible, a volume source approximation be used to model area sources. This approach can be applied with confidence for situations in which the receptors are displaced from the source. However, for applications where receptors are located either directly adjacent to, or inside the area source, AERMOD’s area source algorithm will need to be used. For these circumstances, caution should be exercised if excessive concentrations are predicted during extremely light wind conditions. On a case-by-case basis, the reviewing authority should decide whether such predictions are unrealistic. One possible remedy would be to treat such hourly predictions as missing data.
4.3 - Stima AERMOD come sorgente di tipo volumetrico
In questa sezione sono riportati i risultati di stima nell’approssimazione della sorgente emissiva di tipo volumetrico (da confrontare con i precendenti risultati per sorgente di tipo areale) in cui i parametri iniziali di sorgente sono stati posti pari a zero (Syinit e Szinit = 0) al fine di garantire per quanto è possibile un sufficiente grado di confrontabilità con le impostazioni degli altri runs modellistici.
Di seguito sono presentate le mappe statistiche e le relative mappe di concentrazione orarie relative alla media di periodo (annuale), al 98° ed al 99° percentile, ed infine al valore massimo.
| statistica | valore max dominio |
|---|---|
| AVG | 43 |
| P98 | 158 |
| P99 | 173 |
| MAX | 206 |
NOTA: vale quanto già detto in precedenza per il (non) significato ambientale del valore medio annuale delle concentrazioni di odore.
5 - LAPMOD
Di seguito sono presentati i risultati di stima nell’approssimazine della sorgente di emissione areale.
5.1 - Configurazione di base
input meteo CALMET
dominio calcolo 5 km * 5 km (centrato su sorgente)
cella di campionamento: 50 m
CCA (Concentration Calculation Algorithm): classical LAPMOD method
number of particles emitted each 60 seconds = 60
peak to mean modeling LPEAK = F, costant rate = 2.3
sigma z iniziale = 0 (per analogia a quanto impostato negli altri run modellistici)
velocità iniziale di uscita 0.1 m/s (assegnazione di un valore ‘basso’- ?? - nell’ipotesi di simulare correttamente una sorgente di tipo evaporativo)
5.2 - Stima LAPMOD come sorgente di tipo areale
In questa sezione sono riportati i risultati di stima nell’approssimazione della sorgente emissiva di tipo areale (da confrontare con i precendenti risultati per sorgente di tipo areale e volumetrico) in cui i parametri iniziali di sorgente sono stati posti pari a zero (Syinit e Szinit = 0) al fine di garantire per quanto è possibile un sufficiente grado di confrontabilità con le impostazioni degli altri runs modellistici.
Di seguito sono presentate le mappe statistiche e le relative mappe di concentrazione orarie relative alla media di periodo (annuale), al 98° ed al 99° percentile, ed infine al valore massimo.
| statistica | valore max dominio |
|---|---|
| AVG | 14 |
| P98 | 160 |
| P99 | 268 |
| MAX | 633 |
NOTA: vale quanto già detto in precedenza per il (non) significato ambientale del valore medio annuale delle concentrazioni di odore.
6 - Conclusioni
Sono riportate in forma riassuntiva le principali statistiche delle concentrazioni medie orarie espresse in termini di unità odorigene (uo/m3):
- media di periodo (AVG);
- 98° percentile (P98);
- 99° percentile (P99);
- valore massimo (MAX);
| statistica | CALPUFF (areale) | AERMOD (areale) | AERMOD (volumetrico) | LAPMOD (areale) |
|---|---|---|---|---|
| AVG | 24 | 56 | 43 | 14 |
| P98 | 120 | 384 | 158 | 160 |
| P99 | 123 | 478 | 173 | 268 |
| MAX | 141 | 745 | 206 | 633 |
Tutti i valori riportati nella tabella si riferiscono al massimo spaziale del dominio di calcolo (che ricade sempre nelle immediate vicinanze della sorgente).
7 - Ulteriori sviluppi e future direzioni di analisi
- utilizzo del modello LAPMOD finalizzato allo studio di dispersione degli inquinanti odorigeni in relazione alla possibilità di applicazione di Peak to Mean Ratio (PMR) variabile; la tipica applicazione PMR prevede un fattore moltiplicativo costante (tipicamente 2.3 che ha dei limiti di carattere teorico significativi)